嵌入式系統原理課程創新型教學改革研究

摘要：分析目前高校嵌入式系統原理課程重理論輕項目應用實踐操作的教學方式，提出理論強化學習、實驗項目分析操作訓練、科研項目實訓和校企聯合訂單式培養四位一體的實踐教學模式。強調采用引導性筆記授課方式強化學生理論知識，單步引導學生實驗項目操作，結合綜合系統實例項目及企業需求訂單式針對性培養，可以鍛煉學生動手操作和實踐創新能力，以及在綜合性項目開發過程中的工程創新、團隊協作能力，從而解決理論教學與實踐相互脫節的問題。

關鍵詞：嵌入式系統課程；項目分析操作；科研實訓；訂單式培養

0.引言

嵌入式系統是專業技術性、實踐性和綜合性都很強的學科領域，近年發展極為迅速，目前精通嵌入式系統專業技術的人才嚴重缺乏，學校培養的人才和企業實際需求嚴重脫節，使得嵌入式硬件和軟件研發工程師成為近年來較為熱門的職業之一。為縮小畢業生與用人單位實際需求間的差距，使高校的人才培養方向和培養目標更貼近現實，嵌入式系統的教學改革迫在眉睫。

1.授課方式及課程理論分析設置

嵌入式系統原理目前是通信工程和自動化專業的核心課程，也是計算機科學與技術、軟件工程等專業的重要課程。嵌入式系統更新換代快，學習難度大，難以形成系統性的知識體系。同時嵌入式課程講授難度很大，它要求教師不僅具備一般的單片機開發系統的軟硬件知識，而且需要從事過嵌入式系統工程項目實際開發實踐，才能很好地講授該課程。

1.1授課方式分析

嵌入式系統原理理論知識點多，覆蓋學科面廣，命令操作多，采用引導性筆記的授課方式強化學生的理論知識水平。課堂上授課人數較多，授課教師營造學生積極參與的課堂氣氛，激發學生的課堂參與積極性。同時，改變以往將所有授課講義上課前給學生的做法，而是將引導性筆記提前給學生，引導性筆記包括本堂課內容的信息提綱、基本概念、定理、公式關鍵環節、圖形圖表、最終結論觀點等，學生只需補充其中的細節內容。學生邊記筆記邊理解重點內容，注意力能夠相對集中在老師的授課重點，避免沒有經過理解分析的簡單記錄，從而提高課堂的學習效率，使學生達到高強度的理論強化學習目的。天津商業大學嵌入式系統教學團隊緊緊圍繞ARM架構微處理器作為教學的理論和實驗主要對象，編寫了可作為引導性筆記的實驗教材《嵌入式系統原理開發與設計——基于SamsungS3C2410微處理器的設計與應用》。教學團隊采用課堂講授與實驗有機結合的教學模式，采用引導性筆記的授課方式，強化理論與應用實踐相結合，引導學生獨立思考，培養他們的學習興趣和學習積極性、主動性。

1.2課程理論分析設置

嵌入式系統課程是一門系統性強、軟硬件結合的綜合性課程，一般分為硬件開發方向和軟件開發方向，兩方向均要求學生能夠掌握嵌入式系統基本理論知識和簡單的嵌入式操作系統，具有嵌入式系統軟硬件開發、設計、調試和維護的基本能力。通信工程專業和自動化專業的學生授課重點偏向于嵌入式硬件開發方向，而計算機科學與技術專業和軟件工程專業的學生則偏向于嵌入式軟件開發。根據不同專業的專業特點以及學生的興趣愛好和素質，可以建立一套適合嵌入式系統教學的課程體系，將嵌入式系統課程體系概括為3個階段，第一階段為偏軟和偏硬方向的學生均要求學的專業基礎課，主要有C語言程序設計、計算機組成原理、模擬電路和數字電路、匯編語言程序設計等基礎課程；第二階段為偏軟和偏硬方向的學生均要求學習，主要開設課程有Linux操作系統、WinCE操作系統、數據結構、嵌入式系統原理及應用、操作系統原理、計算機網絡等課程；第三階段為偏軟專業學生重點學習基于操作系統的開發課程，如QT圖形界面設計、c++程序設計等開發應用性強的人機界面軟件設計；偏硬專業學生重點學習嵌入式系統結構、傳感器原理、PCB設計制作、Multisim和PADS等仿真設計類的課程。

2.課程實驗項目實踐

嵌入式系統教學的實驗項目分為基礎類實驗項目和提高類實驗項目。基礎類實驗項目均要求學生掌握利用現有實驗設備理解嵌入式系統設計的原理和過程、掌握建立嵌入式系統開發環境的開發方法和過程；提高類實驗項目主要是讓學生把所學本學科知識綜合起來，培養學生嵌入式系統綜合應用實際開發能力、軟硬件協同設計思想及解決開發過程遇到問題的能力。

基礎類實驗項目包括：①基于ARM的匯編語言程序設計；②基于ARM的c語言程序設計；③基于ARM的I/O接口實驗；④基于ARM的中斷實驗；⑤基于ARM的UART實驗；⑥基于ARM的A/D接口實驗；⑦pCOSII的內核在ARM處理器上的移植；⑧Linux實驗環境的搭建；⑨Boot loader引導程序實驗；⑩Linux的移植、內核、文件系統的生成與下載；11WinCE中的控件編程；12WinCE下的多線程編程；13WinCE下文件操作與通信編程。

提高類實驗項目包括：①觸摸屏實驗；②音頻錄放實驗；③USB設備收發數據實驗；④基于gCOSII的串口驅動編寫實驗；⑤基于gCOSII的LCD驅動編寫實驗；⑥基于Linux的鍵盤驅動程序編寫；⑦基于Linux的LCD驅動程序編寫；⑧USB播放mp3的實驗；⑨WinCE系統定制；⑩WinCE下的流接口驅動開發；11WinCE內核調試。

其中提高類的實驗項目均為小系統設計，綜合性較強，有一定開發難度，授課教師在實驗項目分析操作中單步引導學生自己通過操作來尋求答案，讓學生由被動學習變為主動學習，通過給學生分析項目需求、設計方法，進一步引導學生進行實例項目的學習。部分項目需要仿真測試的利用虛擬仿真軟件MATLAB、PROTEUS和AD6.3等各種繪圖仿真軟件進行試驗仿真測試。虛擬仿真實驗可以提高學生實驗項目的正確率，操作的便捷性，降低設備的損壞率，強化學生的理論知識。提高類的實驗項目均是具體的實例展開教學，從而達到培養能力的目的，進而激發學生的學習興趣。信息技術綜合實驗教學中心現有達盛ARM860教學實驗實訓平臺32套（cPU為SamsungS3C2410處理器）以及該平臺配套的硬件設備和軟件環境，結合2012版教學計劃，將課程實驗項目再設計為啟發型-綜合性-創新型實驗項目。學生3-4人為一個團隊，每人分工明確，完成項目的分析設計、編寫、調試代碼、功能演示，共同討論共同完成實驗項目。

3.科研項目培養結合企業訂單培養

在理論知識強化學習和必修的實驗項目后，很多學生認為學到的知識點相對零散，缺乏一條主線將各章的知識點結合起來，不能從全局角度整體看待問題，知識點得不到靈活運用。授課教師選取難度合適且有意義的綜合系統實例項目作為學生的課外拓展性教學補充㈣，這些軟硬協同設計的綜合系統實例項目盡量將各知識點貫通起來，增強學生對課程的整體把握。綜合系統實例項目來自于教師的縱向和橫向科研項目子課題、各類競賽項目、創新研究課題和企業的實際需求。

科研項目子課題、各類競賽項目開發設計過程中，3～5名學生組成項目應用開發興趣小組，共同完成項目的需求分析設計、功能實現和測試工作，便于學生理解各功能的實現原理，每個小組匯報該組項目的設計目的、實現原理、實現功能、開發調試及功能測試的過程，最后采取學生答辯、老師驗收的結題方式，達到鍛煉學生的團隊能力，協作能力及自學能力的目的，也可以使其他未做該項目的同學得到參考和借鑒。教師授課團隊在開發設計過程中提供必要的課外指導，各實驗教學中心和工程訓練中心提供相應的設備及開發平臺。目前，這種模式培養的學生已經獲得全國大學生電子設計競賽、天津市大學生電子設計競賽、天津市大學生物聯網設計競賽、博創杯、合泰杯等多項大獎。

對于創新研究課題和企業的實際需求項目，對學生采用訂單式培養，要求學生有針對性地完成嵌入式系統的實際硬件電路設計、程序的編寫、調試環境搭建、各級功能的調試、系統的集成測試和文檔的編寫等環節，其中硬件電路設計和軟件編程需重點學習，通過項目需求分析、方案比較、資料歸納整理、系統方案定型、電路板級調試、軟件編程調試、系統功能測試、文檔編寫等全過程，完成一個標準的產品級的工程項目研發，鍛煉學生的工程項目研發和實際動手能力。在開發的不同階段，學校企業共同搭建平臺，學校提供必要設備和實驗室，企業提供部分研發平臺及資金支持，企業一線產品研發專家不定期到校內和學生交流，學生近距離和企業嵌入式系統資深專家面對面探討問題，提高學生的工程項目經驗、創新能力和實踐能力，提高學生的專業素養，讓學生在實際項目研發環境中成長，也為日后的工作有針對性地積蓄經驗和專業本領，提高學生就業率。這種教學模式實現了為企業量體裁衣式的培養，教師也達到對不同學生因材施教的目的。

4.結語

嵌入式技術發展突飛猛進，市場實際需求變化無窮，系統的展開嵌入式系統教學內容改革與實踐工作以適應市場需求，構建理論強化學習、實驗項目分析操作訓練、科研項目實訓和校企聯合訂單式培養四位一體的實踐教學模式，形成專業技術應用能力與綜合實踐技能相結合的實踐教學體系。在教學內容上，要將理論與實踐相結合，課堂教學和實驗項目操作訓練相結合，科研項目訓練和企業需求相結合，提高學生分析問題和解決問題的能力，加強學生工程系統掌控能力和創新能力。

筆者所在教學團隊積極主動拓寬教學方法視野，掌握先進科學的教學理念，優化和完善教學方法，經過多學期的實踐教學證明這種教學模式具有較好的可行性，提升了學生工程實踐能力，激發了學生的學習興趣，教學實踐效果也較符合實際應用。